破裂过程模拟的可变形圆化多边形离散单元法

为研究工程中岩体内部裂纹的萌生、拓展和贯通机制,模拟其破裂时接触碰撞的全过程,提出可变形圆化多边形离散单元法。该方法将有限单元法与圆化多边形离散单元法进行耦合,采用圆化多边形离散单元法计算非连续岩体间的相互接触作用,连续体内部的应力应变状态则通过有限单元法进行分析。为准确模拟裂纹演化过程,在有限单元间插入节理单元,采用虚拟裂缝模型和具有拉伸截断的摩尔-库仑准则描述节理单元在拉伸、剪切等不同破坏模式下的力学状态。最后模拟巴西圆盘开裂、单切口弯梁开裂及块体冲击破坏试验。研究结果表明：所提出方法能准确模拟岩体从连续体变化为非连续体的破裂过程。     

有限元/离散元耦合分析方法及其工程应用

基于有限元/离散元（FEM/DEM）耦合分析方法,引入单一裂纹和弥散裂纹的综合模型作为节理单元的应力应变关系及破坏准则,通过节理单元的起裂、扩展和失效来实现岩体裂纹的萌生和扩展的模拟.以巴西劈裂试验对该模型进行了验证.并以罗富高速公路典型边坡为工程背景,分析了其在暴雨和地震作用下的滑坡发生机理.计算表明,暴雨作用下该边坡易发生局部破坏,暴雨和地震综合作用下会发生整体滑动.
     

节理岩体爆破破坏过程数值模拟

 针对目前常用的有限元和离散元等数值方法难以客观反映岩体中存在的大量断续节理和在外力作用下岩体破碎及块体运动的不足,提出采用最近新出现的数值方法——数值流形方法以解决目前岩体爆破中存在的上述问题.数值流形方法采用数学网格与物理网格以形成求解流形单元,很容易反映岩体中存在的众多初始节理,本文采用断裂力学准则模拟岩石节理和裂纹扩展,采用DDA中的块体运动学理论模拟块体运动,并通过算例对比分析了完整岩体和节理岩体爆破破坏模式的差异.模拟结果表明,节理存在对岩体爆破破坏模式有着重要影响,且其影响程度与节理的几何分布和物理力学性质有着密切关系.     

围压作用下岩石峰后应力-应变关系模型

假定峰后软化阶段任意一点皆满足摩尔库仑极限破坏条件,建立岩石峰后后继屈服面模型。利用岩石峰值处和残余阶段初始处应力状态绘制几组莫尔应力圆,获得不同围压下峰值处和残余阶段初始处的黏聚力c和内摩擦角φ,然后分别建立黏聚力c和内摩擦角φ同围压的函数关系。基于莫尔-库仑准则,以最大主应变ε作为软化参数,以分段线性函数形式演化黏聚力c和内摩擦角φ的正切,反求内摩擦角φ,从而建立岩石峰后应力-应变关系模型。数值算例研究Tennessee大理岩三轴试验的峰后应变软化过程,模拟结果与试验结果较吻合。研究结果表明:建立的峰后应力-应变关系模型合理而可靠,可以较好地描述不同围压下岩石的峰后力学行为。     

三维无单元法模拟岩体裂纹扩展

针对岩体结构的复杂性,尤其是裂纹扩展这个岩土工程数值分析中的难点问题,采用无单元滑动最小二乘法来构造位移函数,该方法不需要划分网格,能较好地模拟岩体等介质中的裂纹传播,不仅可以保证计算精度和收敛性,而且可以减少计算难度.文中首先介绍了无单元法的基本思想和程序设计思路,重点推导了三维岩体的无单元计算公式和编制了三维无单元程序,计算了一坝体的位移和应力.     

页岩气储层水力压裂裂纹扩展数值模拟

针对页岩气储层的层状结构致使其水力压裂裂纹扩展不同于常规油气储层问题,采用粘结单元模拟实际的层状储层界面特性的数值模拟方法,建立页岩气储层水力压裂力学模型和反映岩体层状界面的破坏开裂准则,进行层状岩体水力压裂三维数值模拟.得到了储层应力场、孔隙压、裂纹面的损伤和张开度分布以及裂纹扩展的时空变化规律.     

考虑应变软化和剪胀特性的软岩洞室稳定性分析

岩土材料的复杂性使得人们无法采用统一的本构模型来表达其在外力作用下的力学响应特性.无数试验和实际工程表明,莫尔—库仑准则能较好地拟合试验结果和可靠地应用于岩土工程实践.数值模拟可充分发挥主观能动性,采用考虑应变软化和剪胀特性的莫尔—库仑模型进行软岩隧洞的稳定性模拟,以达到更精确地对工程实例进行数值模拟分析的目的.     

裂纹岩体贯通路径的有限元搜索

裂隙岩体在荷载作用下导致其内部裂纹的相互贯通,从而在裂纹尖端形成较大的塑性破坏区域,岩体工程的失稳大多是由于其内部节理、裂隙等缺陷发展导致的,应用断裂力学的方法,可以追踪岩体中节理裂隙的起裂、扩展至相互贯通使岩体局部破坏的过程,从而揭示岩体失稳的渐进破坏机制.应用有限元方法中的奇异单元模拟了岩体中不同倾角的压剪裂纹的破坏问题,根据不同倾角裂纹的力学机理分析了其受力差异,依据最短塑性区距离判据分析了相近裂尖的扩展距离,得出了不同倾角的两共线裂纹的破裂角及相近裂尖破坏后岩桥之间的有效距离.     

混凝土冲击拉伸力学性能及裂纹扩展试验研究和数值模拟

为真实反映混凝土材料劈裂拉伸力学性能,基于应变片法采用分离式霍普金森压杆对混凝土平台巴西圆盘试件进行了劈裂拉伸试验,研究了不同加载角对试件起裂方式及破坏模式的影响,并对试件破坏过程进行了扩展有限元模拟,同时与试验结果进行了对比分析,得到用于测试混凝土拉伸力学性能的最优加载角.基于此得到动态劈拉下3种不同强度混凝土的劈裂拉伸应力-径向应变曲线及抗拉强度、极限应变、拉伸敏感系数等参数的应变率效应.结果表明:20°加载角可以保证圆盘在中心起裂,用于测试混凝土劈裂拉伸性能最为可靠.在高应变率下,混凝土动态力学参数均具有明显的应变率效应,裂纹沿试件受力方向扩展、贯通直至试件沿加载直径方向劈裂为两半,破坏面表现为骨料破坏,与数值模拟结果一致.     

一种模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术

基于三角网格的几何特征,提出一种利用有限元方法模拟岩体裂纹扩展的三角单元网格开裂技术。该方法选取三角网格进行单元离散,采用远场围线积分计算裂尖应力强度因子,由最大周向应力准则确定裂纹扩展方向,最后通过开裂单元的网格分裂或节点移动,实现裂纹扩展的数值模拟。以有限宽中心裂纹板、曲线翼型裂纹扩展和含孔洞多裂隙岩体的裂纹扩展为例进行模拟验证。结果表明:在该方法中,裂纹可以直接劈开一个单元,或沿单元边界扩展,因此裂纹能够不受初始网格的限制沿任意路径扩展;与现有的网格重构算法相比,该方法只须对裂尖局部单元进行网格开裂或节点移动,更加简便、高效,该方法还具有较好的适用性,能够准确模拟拉伸、压剪等复杂应力状态下的裂纹萌生和扩展。     

弹性体裂纹扩展的数值模拟

采用位移不连续法（DDM）对裂纹的扩展进行了数值模拟,首先应用DDM求解了线弹性裂纹体的应力场,再采用最小二乘法确定应力强度因子并根据线弹性复合型断裂判据进行开裂判断,从而实现裂纹开裂的模拟,取得了与实验结果较吻合的数值计算结果,文中所用方法仅需在裂纹面上直接划分单元、对开裂部分直接追加单元来实现裂纹扩展过程的动态跟踪,其数值过程简便易行。     

修正的Mohr-Coulomb破坏准则在斜侵彻过程中的应用

以杆弹斜侵彻钢纤维混凝土靶的数值模拟为目标,将HJC模型嵌入了自主开发的动态有限元HVP3D程序中,提出了考虑拉伸破坏、应变率、压力和剪力影响的修正的Mohr-Coulomb破坏准则,模拟靶板的可能破坏情况,并和最大拉应力累积破坏准则的结果进行了比较,发现修正的Mohr-Coulomb破坏准则较好地反映靶板的破坏情况.同时将修正的Mohr-Coulomb破坏准则应用到带攻角的斜侵彻数值模拟中并与实验结果进行了对比.     

包含岩石临界状态的Mohr-Wedge准则适用性研究

Mohr-Wedge(MW)岩石强度准则是基于岩石楔形破坏力学模型及主应力间的偏微分方程等的理论性公式推导.利用量纲分析整理该准则所含的多个参数,并赋予参数相应的物理意义,可使该准则简单易懂.为分析包含岩石临界状态的MW准则适用性,选取Mohr-Coulomb准则、Hoek-Brown准则和指数准则为比较对象,以平均绝对误差MAE为评价指标,量化比较4个准则预测岩石强度的准确度.结果表明:当围压小于岩石临界状态围压σ_○cr-M时,MW准则具有一定的适用性;当围压大于σ_○cr-M时,4个准则预测的岩石强度因岩石临界状态围压不同而发生偏差.基于此,提出了不同岩石临界状态围压预测岩石强度的方法,可为岩石临界状态围压的取值提供一定的借鉴意义.     

三轴压缩条件下单裂隙岩样裂隙扩展研究

为研究岩石中裂纹的起裂、扩展和破坏规律,采用PFC2D数值模拟软件结合室内试验对预制单裂隙岩样进行分析。结果表明：（1）当围压为7MPa时,以剪切-拉伸复合破坏模式为主;当围压为14MPa时,试样以“Y”型剪切破坏、单一斜剪破坏模式为主;当围压为21MPa时,试样以“X”型剪切破坏模式为主。（2）试样的破坏模式与围压的大小密切相关,当裂隙长度一定时,随着围压的增大,试样的破坏越明显;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,裂纹扩展的规模越大。（3）随着裂隙长度的增加,岩样的峰值强度、弹性模量、起裂应力与损伤应力均呈下降趋势;随着围压的增大,各力学参数均增大,裂隙长度越大时更易诱发新生裂纹,试样强度特性降低。（4）剪切裂纹在整个模拟加载过程中占主导地位且数量始终占比较大;随着围压的增大,拉裂纹逐步占据主导地位,且当围压为21MPa,裂隙长度为39mm时,拉裂纹是剪裂纹的2.73倍;当围压一定时,随着裂隙长度的增加,拉裂纹占比也逐渐减少。     

基于裂纹失效路径的压力容器剩余寿命预测新方法

裂纹的扩展行为研究是压力容器剩余寿命预测的关键与基础。针对目前难以准确预测压力容器表面裂纹剩余寿命的状况,通过建立压力容器表面裂纹的受力模型,利用有限元方法分别计算出裂纹表面点与最深点处的应力强度因子,得到裂纹深度a与长度c的变化之比,运用压力容器仿真系统进行路径仿真与失效速率仿真,得到裂纹在安全区域的临界拐点及临界值aN。实例计算结果表明,表面裂纹的失效路径能够直观准确的表示裂纹的扩展规律,进行有效的剩余寿命预测。     

含孔洞大理岩破坏特性的颗粒流分析

基于室内单轴压缩试验结果,利用颗粒流程序PFC2D,模拟含预制孔洞大理岩在单轴和双轴压缩条件下的破坏过程,分析预制孔洞形状、围压大小以及岩石非均质性对大理岩力学特性和裂纹扩展的影响.数值结果表明:与完整大理岩试样相比,含孔洞试样的峰值强度显著降低,降低程度与孔洞形状有关;围压对含孔洞大理岩试样的力学特性和裂纹扩展有显著影响,含孔洞试样的峰值强度随围压的增加而增加,但偏应力峰值随围压的增加呈先增大后减小的变化趋势;试样的破坏模式与孔洞形状相关,含圆形孔洞试样为类X型剪切破坏,含矩形孔洞或马蹄形孔洞试样为对角剪切破坏;岩石内部的矿物结核影响了裂纹的扩展路径,从而改变试样的宏观破坏模式.微观机理分析表明:孔洞周边裂纹的萌生与扩展过程伴随着应力集中区的释放与转移;含孔洞试样的宏观裂纹有3种模式:孔壁剥落、拉伸裂纹和压剪裂纹.     

冲击载荷作用下层间短纤维增韧研究

采用基于全量Lagrangian理论的非线性有限元方法研究了冲击载荷作用下含层间短纤维的复合材料层板的分层扩展问题.通过Newmark方法求解动力学方程,以能量释放率作为裂纹扩展准则.用节点双编号和节点分离技术模拟裂纹扩展,用双向弹簧单元模拟层间短纤维作用.通过改变弹簧刚度修正短纤维桥联力,在裂纹表面和冲击接触区设置接触单元,并以罚函数法计算接触力,分析了层间短纤维的桥联作用对裂尖应力场和能量释放率的影响.结果表明:层间短纤维的桥联作用有效地降低了层间应力集中程度和裂尖能量释放率,增韧效果明显.     

基于损伤理论的钢筋混凝土结构裂缝分析

依据裂缝开展与受拉损伤演化之间的内在联系,提出了基于损伤变量估计裂缝宽度的基本方法.将模型与损伤本构关系以及非线性有限元方法结合,可以精细地描述钢筋混凝土构件在外力作用下的非线性行为,特别是裂缝开展规律.与试验结果的对比表明,该方法不但具有良好的精度,而且能够描述构件非线性发展全过程中裂缝产生和扩展的规律.基于该方法精细分析混凝土结构中裂缝产生和发展的过程,可以为实际工程的分析和设计提供有力的依据.     

云雾山隧道围岩力学性质研究

对宜万铁路云雾山隧道灰岩进行室内三轴压缩试验研究,分析与比较了自然状态和饱和状态试样在不同围压下应力-应变关系曲线,结果表明,含水状态和围压对岩石的峰值强度、轴向应变及弹性模量均具有一定影响.在主应力空间内,利用线性莫尔-库伦强度准则拟合试验数据得到岩石的强度参数C,φ值,为该隧道工程的计算分析提供参考.对岩样的破坏特征进行分析后得出:在较低围压下,试样基本上为宏观单一断面的剪切破坏,随着围压的增大,试样有向两个相交的剪切面发展的趋势.     

T型焊接接头中疲劳裂纹扩展的三维边界元模拟

T型焊接接头在钢结构中十分常见 ,它往往因初始微裂纹的疲劳扩展而导致断裂破坏。该文应用边界元( BEM)子域法 ,研究 T型焊接接头中三维混合模式表面裂纹的疲劳扩展问题。按照 T型焊接接头的实验模型建立边界元计算模型。基于端点附近裂纹前沿线位于椭球面上的假设 ,用间接方法求出裂纹前沿线的两个端点。当裂纹扩展时 ,计算网格可以自动进行重新划分。文中对裂纹扩展长度和方向提出了一种扩展准则 ,并与其他准则和实验结果进行了比较。计算结果表明 ,提出的扩展准则是有效的